103

Kyriakopoulos, Kostas J., and Savvas G. Loizou. 2006. Section 2.4 Robotics: Fundamentals and

Prospects, pp. 93-107, of Chapter 2 Hardware, in CIGR Handbook of Agricultural Engineering

Volume VI Information Technology. Edited by CIGR-The International Commission of Agricultural

Engineering; Volume Editor, Axel Munack. St. Joseph, Michigan, USA: ASABE. Copyright American

Society of Agricultural Engineers.

Çevirmenler: Pınar DEMİRCİOĞLU ve İsmail BÖĞREKCİ

Çeviri Editörleri: Sefa TARHAN ve Mehmet Metin ÖZGÜVEN

2.4 Robotik: Robotiğin Temeli ve Robotların Geleceği

Yazarlar: K. J. Kyriakopoulos ve S. G. Loizou

Çevirmenler: Pınar DEMİRCİOĞLU ve İsmail BÖĞREKCİ

Özet: Robotik; kavram, tasarım, imalat ve robotların işleyişini içeren mühendislik

dalıdır. Robotlar, fiziksel faaliyetleri ya da karar vermeyi içeren görevlerin

yürütülmesinde insanın yerini alması düşünülen makinelerdir. Sabit ve hareket

temelli robotik alanlarından bazılarını ve sualtında, havada ve yürüyen robotlardan

beklentiler burada sunulmaktadır.

Anahtar Kelimeler: Robotik, Sabit temelli robotlar, Hareket temelli robotlar

2.4.1. Robot Tanımları ve Kısa Bir Tarihçe

Yapay sistemlere hayat verme isteği, insanlık tarihinin derinlerinde

yatmaktadır. Yunan mitolojisinde, topraktan insanın kalıbını yapan titan Prometheus

ve Hephaestus tarafından işlenmiş bronz köle olan büyük Talus, işgalcilerden Girit

adasını korumak için görevlendirildiler ve bu görevi yapmayı üstlendiler.

Günümüzde insanların zihninde oluşan şekliyle “Robot” kavramını ilk olarak

1921’de Çek oyun yazarı Karel Čapek tarafından Rossum'un Evrensel Robotları

(RUR, Rossum’s Universal Robots) bilim kurgu hikâyesinde tanıtılmıştır. Bu

hikayede Rossum tarafından yapılan otomatı belirtmek için, yönetsel iş gücü demek

olan Slav robota kelimesinden robot terimini türetti. Hikayede bu otomat sonunda

insanlığa baş kaldırmaktadır.

104

1940’lı yıllarda, ünlü bilim kurgu yazarı Isaac Asimov, robotu insan

görünüşünün bir otomasyonu olarak düşündü. Gerçekleştirmek için programlanmış

olduğu görevlerin dışında, robotun davranışı belli etik kuralları takip eden bir insan

tarafından programlanmış "positronic" bir beyin tarafından yönlendirilmiştir. Robotik

terimi, robotiğin üç temel yasasına dayanan robotların çalışmasına ayrılmış bir bilim

olarak, Isaac Asimov tarafından ortaya atılmıştır.

1. Bir robot bir insana zarar veremez veya kayıtsız kalarak bir insanın zarar

görmesine neden olamaz.

2. Birinci yasa ile çatışmamak şartı ile bir robot, insanlar tarafından verilen

emirlere uymak zorundadır.

3. Birinci ve ikinci yasa ile çatışmamak şartı ile bir robot kendi varlığını

korumalıdır.

Robotun, Amerikan Robot Enstitüsü tarafından yaygın bir şekilde kabul edilen

tanımı ise, “malzemelerin, parçaların ve araçların hareket ettirilebilmesi için

tasarlanmış olan çok fonksiyonlu ve programlanabilir manipülatör veya farklı

görevleri yerine getirebilmek için değişken programlı hareketleri gerçekleştirebilen

özel araç” şeklindedir. Böyle bir endüstriyel robotun yapısı:

Mafsallarla bağlı bir dizi katı cisimden (linkler) oluşan mekanik bir yapı

(manipülatör). Manipülatör insan eli için analog robottur ve onu kol, bilek ve

uç elemanı (uç efektörü) ile karakterize edebiliriz.

Hareket halindeki robotu ayarlamak için sorumlu olan eyleyiciler. Genellikle

tahrik için kullanılan motorlar, elektrik, hidrolik, pnömatik ve benzeridir.

Durumu ve çevresi hakkında bilgi topladığı algılama altsistemi. Bu sistem

aynı zamanda dışsal komutları kabulden sorumludur.

Kontrol sistemi (bilgisayar), akıllı ve etkili bir şekilde hareket etme ve

algılamayı birleştirir, böylece tüm sistem beklendiği gibi bir performans

sergiler.

Bir endüstriyel robot için verilen ilk patenti George Devol almıştır ve bu

ürününe Unimation ismini vermiştir. 1959 yılında General Motors’un Turnstead’daki

tesisinde endüstrideki ilk robot uygulaması yapılmıştır. İlk robotlar çok büyük olup,

hidrolik sistemler tarafından hareketlendirilmiştir. Onları programlamak, kontrol

etmek ve bakımlarını yapmak oldukça zordu. 1970’lerde robot endüstrisi

mikroişlemcilerdeki gelişmelerden büyük ölçüde yararlandı. Yeniden

programlanması kolay olan yeni robot modelleri üretildi. Daha fazla hesaplama

gerektiren hızlı kontrol mimarileri daha sonra gerçekleştirilmiştir ve yeni robotlar

daha büyük bir uygulama çeşitliliğine sahip olmuştur. Robotlarda kullanılan hidrolik

sistemlerin yerini önce doğru akım (DC) motorlar ve daha sonra da alternatif akım

(AC) servo motorlar almıştır.

1990'lara kadar robotlar endüstride varolan kesin olarak kanıtlanmış bir

teknolojiydiler. Günümüzde onlar tehlikeli ve hijyenik olmayan ortamlarda

105

kullanılmaktadır. Onlar, yüksek bir verimle ve sürekli kaliteli tekrarlayan görevler

gerçekleştirmektedir. Onlar, pek çok kişiden işlerini ellerinden almış olmalarına

rağmen, büyük teknolojik gelişmeler de sağladılar.

2.4.2. Robotların Sınıflandırılması

Robot sınıflandırmasında en sık kullanılan kriterleri aşağıda sunulmaktadır:

Serbestlik dereceleri sayısı veya (eklemler) hareketlilik derecelerinin sayısına

göre sınıflandırma: Hareketlilik dereceleri (eklem sayıları) belirli bir görev için

istenen gerekli serbestlik derecelerini sağlamak için mekanik yapı boyunca

dağıtılmaktadır. Üç boyutlu uzayda gelişigüzel bir görev için altı serbestlik

derecesi gereklidir: üçü bir nesnenin konumu, üçü de yönlendirmesi için. Eğer

belirli bir manipülatör için serbestlik derecesinden daha fazla hareketlilik

derecesi varsa, o zaman onun gereksiz olduğu söylenir.

Eklemlerin konfigürasyonuna göre sınıflandırma: Eklemler, bağlantılar

arasında göreceli hareketin gerçekleştirilmesi için kullanılır. İki eklem tipi

vardır: Doğrusal göreceli hareket için kullanılan kayar eklemler ve doğrusal

göreceli hareket için döner eklemler. Başka eklem türleri bu iki eklem türünün

bileşimi olarak kabul edilebilir. Döner eklemler, genellikle onların kompaktlığı

ve güvenirliği nedeniyle kayar olanlara tercih edilir.

Mekanik/geometrik konfigürasyonuna göre sınıflandırma: Robot kolunun

hareket derecelerinin tipi ve sırası onların mekanik/geometrik

konfigürasyonlarına göre manipülatörlerin sınıflandırılmasına müsaade eder.

Birbirine dik eksenleri ile üç tane kayar tip eklem Kartezyen manipülatörleri

karakterize eder. Bu eklemler, kinematik zincirin ilk üç eklemidir. Kartezyen

geometri basittir ve iyi bir mekanik rijitlik ve sürekli konumlama doğruluğu

sağlar. Çalışma alanı paralel yüzlüdür.

Silindirik manipülatörler için, kinematik zincirin ilk eklemi dönel, ikinci ve

üçüncü eklemleri Kartezyen gibi kayardır. Çalışma alanı içi boş silindirin bir

kısmıdır.

SCARA tipi robotlar, kinematik zincirin ilk iki eklemi dönel, üçüncüsü

kayar ekleme sahiptir. SCARA kısaltması “Seçici Uyumlu Montaj Robot Kolu”

anlamına gelmektedir ve dikey yüklere yüksek rijitlik ve yatay yüklere uyum

sağlayan bir yapının mekanik özelliklerini karakterize etmektedir. Çalışma

alanı içi boş silindirin bir kısmıdır.

Üç döner eklem antropomorfik (insan kolu benzetişimli) geometri

gerçekleştirir. İlk eklemin ekseni diğer iki paralel eklemin eksenlerine

ortogonal (dik) dir. Çalışma alanı kürenin bir kısmıdır.

Tahrik sistemi tipine göre sınıflandırma: Tahrik sistemi tipine göre robotlar,

pnömatik, elektrikli hidrolik veya karma tahrik olarak sınıflandırılabilir.

106

Kontrol tipine göre sınıflandırma: Bir robota uygulanan denetime dayanarak,

robotlar, noktadan noktaya, sürekli yörünge, kontrollü yörünge, servo ve servo

olmayan robotlar olarak sınıflandırılabilir.

2.4.3. Sabit Temelli Robotlar

Tanım

Çalışma alanında belirli bir konuma sabitlenmiş tabana sahip robotlar,

endüstriyel robot sistemlerinin geleneksel türünü oluşturur. Onlar mekanik bir kol,

uygun eyleyici ve elektronik elemanlar aracılığıyla canlandırılan eklem ve uzuvların

bir zincirini oluşturur. Şekil 1'de gösterilen endüstriyel robot sisteminin yapısı,

mekanik bir altsistem, devindiriciler, algılama altsistemi ve kontrol sisteminden

oluşur.

Karakterizasyon

Sabitlenmiş tabana sahip robotlar, mekanik/geometrik yapılarına göre

sınıflandırılır. Bunlar Kartezyen, kızak (Kartezyen tipi), silindirik, küresel,

antropomorfik ve SCARA’dır. Onların hareket tiplerine göre ise, servo olmayan

noktadan noktaya, noktadan noktaya servo kontrollü veya sürekli yollu servo

kontrollü olarak sınıflandırılır.

Endüstriyel bir robotun en önemli özelliği onun maksimum yük taşıma

kapasitesi, tekrarlanabilirliği ve doğruluğudur. Maksimum yük taşıma kapasitesi,

manipülatör kenarına taşınabilen yüktür. Uygulama noktası bileğin flanşı olarak

değerlendirilir. Tanımlanan yük miktarı, mekanizmanın hareket hızına bağlıdır, yani

tanımlanan yükten daha fazla olan bir yük, ancak daha düşük hızlarda taşınabilir.

Tekrarlanabilirlik, birkaç tekrardan sonra robotun aynı yere dönme kapasitesini ifade

eder. Tekrarlanabilirlik, robotun hareketini durduracağı aralık olarak verilmektedir.

Robotlara yapacakları hareketlerin öğretildiği endüstriyel uygulamalara gelindiği

zaman tekrarlanabilirlik, önemli bir faktör olmaktadır. Doğruluk, robotun gitmesinin

emredildiği yere tam olarak gitme yeteneğidir. Genellikle doğruluk kontrol

sisteminin kesikli hale getirilmesine, robot parçalarının mekanik bağlantılarına ve

servo operasyonun dayattığı müsaade edilen minimum hataya dayanmaktadır.

Doğruluk, tekrarlanabilirliğin aksine yükün büyüklüğü ve tipinden etkilenir. Çeşitli

üretim şirketlerinin sadece tekrarlanabilirliği belirtmeleri de bu nedenledir.

107

Şekil 1. Bir robot sisteminin temel mimarisi.

Kinematik ve Dinamik

Kapalı kinematik zincir yapısına sahip robotlarla karşılaşılabilmesine rağmen,

sabit temelli endüstriyel robotların temel yapısı açık kinematik zincir yapısındadır.

Zincirin diğer ucu, uç efektörü uzayda nesne manipülasyonuna müsaade etmek için

bağlıyken, zincirin bir ucu bir temele sınırlıdır. Direk kinematik, ortak değişkenlere

dayandırılan uç efektörün konum ve yönelimini belirler. Ters kinematik, belirli bir uç

efektör konum ve yönelimine uygun gelen ortak değişkenleri belirler. Ters kinematik

problemi için, kapalı form çözümü her zaman mümkün değildir, bir çözüm benzersiz

olmayabilir, sonsuz çözümler var olabilir ya da spesifik bir robotun yapısı için kabul

edilebilir çözümler olmayabilir [1]. Burada direk kinematiğin durumunu dikkate

alacağız. Eğer bir referans çerçevesi farzedersek, O0 – x0y0z0, i=1,...,n i ninci ortak

değişken qi olsun. η, s, a uç efektöre iliştirilmiş bir çerçevenin birim vektörleri ve p

bu çerçevenin merkezinin konum vektörü olsun. O zaman uç efektörün konumu

aşağıdaki gibi verilir:

0000

)()()()( 0000 qpqaqsq= A1

0(q1) A2

1(q2)… An

n-1(qn) (1)

Ai i-1

(qi)=

10

11

T

i

i

i

i rR ile ve 1i

iR dönme matris, 1i

ir çerçeve i’den çerçeve i-1’e

öteleme vektörü. Örneğin, Şekil 2’deki bir P noktası Oo referans çerçevesi

bakımından p0 vektörünün ve O1 referans çerçevesi bakımından p

1 vektörünün

108

koordinatlarına sahiptir. p0

ve

p1 vektörleri, dönme ve ötelemeyi temsil eden

11

0

0

1

0 pA

pdönüşümü aracılığıyla birbirleriyle ilişkilidir.

Dinamik model veya robot ortak eyleyici torkları ve yapının hareketi arasında

fonksiyonel ilişki sağlar. Lagrange [5] formülü ile, hareket denklemleri sistematik bir

şekilde türetilebilir. Genelleştirilmiş koordinatlar λi, i = 1,..., n olarak adlandırılan

bir dizi değişken genişletmek için seçilir. Genelleştirilmiş koordinatlar,

manipülatörün hareketinin n derecesinin bağlantı konumlarını tanımlarlar. Sistemin

Lagrange L, genelleştirilmiş koordinatların bir fonksiyonu olarak tanımlanabilir:

UTL (2)

T sistemin toplam kinetik enerji ve U sistemin potansiyel enerjisidir. Lagrange

denklemi, aşağıdaki gibi ifade edilir:

i

ii

LL

dt

d

(3)

ξi, genelleştirilmiş koordinatlar λi ile ilişkili genelleştirilmiş kuvvettir. Açık

kinematik zincir robot için, genelleştirilmiş koordinatların genel seçimi ortak

değişkenlerin vektörüdür:

nn q

q

11

(4)

Şekil 2. Bir P noktasının farklı koordinat yapılarında temsil edilmesi.

109

Sensörler

Sensörler, çeşitli elektronik ve diğer düşük güçlü komponentler içeren robotun

elektronik altsisteminin bir parçasıdır. Bu elemanlar, optik enkoderler,

potansiyometreler, analizer, kameralar, vb. gibi robotta bulunan entegre ölçüm

cihazlarından oluşur [2]. Diğer bir grup elemanlar, uygun bir şekilde bir referans

sinyalini yükselterek, ihtiyaç duyulan elektrik enerjisini motorlara sağlayan analog

güç elektroniğinden oluşur. Elektroniğin diğer grubu, altsistemler arasındaki

sinyalleri onları uyumlu bir forma (analog-dijital dönüştürücüler, karşılaştırıcılar,

vb.) dönüştürerek transfer eder.

Robotun kendi konfigürasyonlarını belirlemek için kullanılan sensörlerin

yanında, genellikle etrafındaki çevrenin algılaması yapılır. Çevresel algı genellikle

görsel ve dokunsal sensörler vasıtasıyla yapılmaktadır. Görsel sensörler, nesne

tanıma veya bir nesnenin varlığı, robottan olan uzaklığı, nesnenin şekli, yönü ve

hacmi hakkında bilgi toplamak için kullanılır.

Robot görme sistemleri, birkaç kamera ve bir işlem biriminden oluşabilir.

Kameralar yüksek çözünürlük sağlayan CCD olabilir; onlar ışık frekanslarının

yüksek bir bant genişliğine cevap verirler, hafif ağırlıktadır ve düşük güç tüketimine

sahiptir. İşlem birimi genellikle dijital olarak görüntü sinyalini işleyen entegre bir

devre (IC) ile yapılmaktadır.

Dokunsal algılama ve piezoelektrik kristaller, mikro anahtarlar ve kuvvet

sensörleri gibi dokunma sensörleri vasıtasıyla yapılmaktadır [12].

Hareket Kontrolü

Kontrol altsistemi [6] robotun “beyni” dir. Kontrol altsistemi, izleme,

koordinasyon, kontrol, karar verme ve sistemin geri kalanı için komutlar vermekten

sorumludur. Tüm bu fonksiyonlar aslında tam bir bilgisayar olan bir mikroişlemci

aracılığıyla gerçekleştirilmektedir. Tipik bir kontrol mimarisi Şekil 3'te

gösterilmektedir.

Programlama

Bir robotun bir görevi yerine getirmesi için, ilk olarak programlanması

gerekmektedir. Robot programlaması, robot faaliyetler dizisinin ve hareketlerinin

tanımlanması ve robota bu hareketleri/aktiviteleri öğretilmesini kapsamaktadır [3].

Robot sistemlerin programlanmasında kullanılan gelişmiş programlama teknikleri

vardır. Robot programlama online ve offline programlama şeklinde iki gruba

ayrılabilir. Çevrim içi programlamada robot, programlama sürecinin çeşitli

aşamalarında yer almaktadır; çevrim dışı programlamada ise robot, program

geliştirmeye katılmaz, yalnızca önceden belirlenmiş bir programı çalıştırır.

Çevrim içi programlama, göster ve öğret tekniği olarak anılır. Bu teknik

manuel olarak her istenilen konuma robotu hareket ettirmeyi gerektirir. Ortaya çıkan

"program", daha sonraki bir aşamada aynı hareketi gerçekleştirecek robota komut

vermek için kullanılan harici ekipmandan alınan bir dizi ortak koordinat ve

110

aktivasyon sinyalleridir. Çevrim dışı programlama için ileri düzeyde planlama

detaylarını bilmek gerekir. Bu tip programlamalar montaj hattında birden fazla

robotun birlikte çalıştığı durumlarda kullanılabilir. Çevrim dışı programlama

bilgisayar programlamaya benzer bir dil tabanlı programlama tekniğidir. Çevrim dışı

programlama ile, programlar yüksek ya da düşük seviyeli dillerde yazılır. Şu anda

100'den fazla robot programlama dili vardır. Tablo 1, en sık kullanılan robotik

dillerin bazılarını gösterir.

Şekil 3. Kontrol mimarisi.

Tablo 1. Tipik robot programlama dilleri.

Tipik Ticari Robotlar

PUMA tipi robot, özellikle de bilim dünyasında en çok bilinenlerden biridir.

PUMA kelimesi montaj için programlanabilir evrensel makinesi (Programmable

Universal Machine for Assembly)’nin kısaltmasıdır. PUMA tipi robot, her yerde uç

efektörünün konumlanmasına ve kendi çalışma alanı içinde herhangi bir

yönlendirmeye müsaade eden altı adet hareket eksenine sahiptir. Onun

antropomorfik yapısı yüzünden çok kullanışlı ve açık mimarisi yüzünden kontrol

etmesi kolaydır. O, araştırmaların yanında sanayide de kullanılmaktadır. Unimation

A.Ş. tarafından üretilmiştir.

SCARA robot, Japon Profesör Hiroshi Makino tarafından tasarlanmıştır.

Yatayda elastiklik ve dikey yüklemede büyük rijitliğe sahiptir. Bu nedenle, robot

111

dikey montaj işlemleri için kullanılır. İlk iki eklemin motorları ilk bağlantıda olduğu

için, ikinci bağlantı ve sonraki asılı kısım, robotun daha yüksek hız elde etmesine

müsaade ederek hafifler. Bu robotlar, diğer robot tipleri ile karşılaştırıldığında 10 kat

daha hızlıdır. Adept (www.adept.com) bu tip robotların bir üreticisidir.

CRS ROBOTICS, antropomorfik A465 ve Gantry G365 gibi en bilinenleri

olmak üzere birçok robot çeşidi üretmektedir. Antropomorfik A465, 3 kg maksimum

yük taşıma kapasitesi ve 0.05 mm bir tekrarlanabilirliği ile altı serbestlik dereceli

robottur. Bu robotun genel uygulamaları, malzeme taşıma, takım tegahları üzerine

takım yükleme, montaj, renkli püskürtme ve kalite kontroldür. G365, sabit bir

yönlendirme ile üç boyutlu çalışma alanı içinde herhangi bir konuma gelmesini

sağlayan üç serbestlik dereceli geometriye sahiptir. Yönlendirmeyi kontrol için iki

veya üç serbestlik dereceli bir bilek ilave etmek için bir opsiyonu vardır. G365

malzeme taşıma, kalite kontrol, paketleme, montaj vb. için kullanılabilir.

Komatsu, iki parçaya bölünebilen ve bir kamyonet üzerinde taşınabilen aslında

kullanışlı bir asansör robot LM15-1üretmektedir. Ağırlığı 520 kg ve maksimum yük

taşıma kapasitesi 150 kg’dan 350 kg’a kadar değişmektedir. Maksimum yüksekliği

4.2 m olup yer seviyesindeki nesneleri idare edebilir. Onun fiyatı 30,000 Amerikan

doları civarındadır.

2.4.4. Hareket Temelli Robotlar (Tekerlekli Robotlar)

Tanım

Mobil robotlar, kendi mekanizmasının herhangi bir kısmını hareket ettirme

yeteneğine sahiptir. Robotun hareket kabiliyeti tekerlek gibi çok basit sistemden,

çalıştığı ortama bağlı olarak jetler, pervaneler, ya da mekanik bacaklar gibi daha

karmaşık olanları kapsayan uzmanlaşmış tahrik sistemleri tarafından sağlanmaktadır.

Otomatik Yönlendirmeli Araçlar

Mobil robotlar, otonom düzeylerine göre, otomatik yönlendirmeli araçlara

(AGV) ve otonom mobil robotlara (AMR) ayrılabilir. AGV’ler sınırlı hareket

otonomisine sahiptir ve onların hareketi ortamda zeminden geçen kablolar veya

vericiler aracılığıyla önceden belirlenir.

Bir AGV genellikle pillerle çalıştırılan bir hareket platformu olup diğer mobil

güç kaynakları kullanılabilir. Onun hareketi endüstriyel bir ortamda önceden

tanımlanmış yörüngeler boyuncadır. Bir malzeme taşıyıcı, bir römork veya bir

manipülasyon cihazı için hareket eden bir temel olarak kullanılabilir. Onun yörüngesi

bir fosforesan veya manyetik şerit veya zemine entegre edilen bir yönlendirme

kablosu olabilir.

Şekil 4'te gösterildiği gibi, hareket kontrolü, birçok aracı kontrol edebilen ve

araca yüklenmemiş olan bir merkezi bilgisayar tarafından yapılmaktadır. AGV’ye

yüklenmiş olarak iş gören sayısal altsistem, önceden belirlenmiş yörüngeyi takip

112

etmek ve merkezi bilgisayarla iki yönlü iletişim kurmak için aracın motorlarını

kontrolünde daha az zorlanmaktadır.

Şekil 4. Otonom rehberli sistem düzeni.

Otonom Mobil Robotlar

Robotikte amaçlardan biri, sınırlı veya insan müdahalesi olmadan hareket

edecek robotlar yaratmaktır. AGV’ler bu yöndeki gelişimi, sürekli dış denetim

ihtiyacı duymayan ve sadece yüksek seviyeli komutları kabul ederek, otonom bir

şekilde görevlerini yerine getirme yeteneğine sahip AMR’leri ortaya çıkarmıştır.

Tüm dünyadaki araştırma enstitüleri, mobil robotların uygulamalarının sınırsız

olması nedeninden dolayı mobil robotlar üzerine çalışmaktadır. Tekerlekli robotlar

en çok çalışılmış olanıdır. Onlar, nesne taşıma dâhil, engelli insanlara yardım,

güvenlik hizmetleri ve ekim, tohum yatağı hazırlığı, püskürtme, toprağı işlemek vb.

gibi çeşitli tarım uygulamalarında kullanılmaktadır. İnsanlar için tehlikeli olan

ortamlarda çalıştırılması, onların dikkate değer uygulamalarından biridir. Bu

uygulamalar, hayat kurtarma amaçlı nükleer enerji santrallerinin denetimi ve

tanısından, düşman alanlarının haritalarının çıkarılması ya da mayın tarlalarının

silahsızlandırılması gibi tehlikeli görevleri gerçekleştirmeye kadar geniş bir alanı

kapsamaktadır.

AMR’ler ile AGV’ler arasındaki temel farklılıklar otonomi, çeşitli görevleri

gerçekleştirme yeteneği ve zeka seviyesindedir. Her ikisi de motorlu tekerlekli

altsistemi, pozisyon tahmini için bir algılama altsistemi, çevre algılama ve

navigasyonu, bir işlem birimini ve şüphesiz bir güç kaynağı kullanmaktadır. Her ikisi

de önceden bahsedilen özelliklere göre daha fazla sınıflandırılabilir.

Mobil Robotların Dümenleme Sistemleri

Hem AGV’ler hem de AMR’ler, dümenleme sistemlerine göre

sınıflandırılabilir. Dümenleme sistemi için kullanılan çözümlerin [7], birkaç

tanesinden bu bölümde bahsedilmiştir.

Diferansiyel dümenleme, dümenleme ve kinematik tutarlılığa müsaade etmek

için farklı açısal hızlarda dönebilen iki tahrik tekerlekli mekanik bir yapıdır. Tahrik

tekerleklerinin yanında, aracı destekleyen taşıma tekerleri bulunmaktadır.

Ackerman diferansiyel, genellikle dış mekân robotlarında karşılaşılan bilinen

bir geometridir [8]. Çok güvenilir bir yapıdır. Aynı dönme merkezine sahip olmak

113

için Şekil 5’te görüldüğü gibi, bir kinematik tutarlılığı kurmak için iki ön tekerleğin

dönüş açıları kinematik bir sınırlamaya uymalıdır.

Senkronize dümenleme sistemi ile dümenleme yaparken tüm tekerlekler döner.

Sistem stabilite ve yeterli çekiş gösterir. Uygun bir tork dağılımı engelleri aşma

yeteneği sağlar.

Şekil 5. Direksiyonlar için kinematik kısıtlamalar.

Yukarıda bahsedilen tüm sistemler, holonomik olmayan (yani, araçlar kendi

tekerlekleri yönüne dik yönde hareket edemez) kinematik kısıtlamalara maruz kalır.

Bu engellerin (çok yönlü dümenleme) üstesinden gelen dümenleme sistemleri var

olmasına rağmen, sürtünmeyi arttırmışlardır.

Entegrasyon Otonom bir tekerlekli robotun mimarisi otomatik yönlendirmeli

araçlarınkinden (AGVs) daha karmaşıktır. Robot, kendisinden ve çevresinden aldığı

bilgiyi toplayarak işlemeli ve en önemlisi kararlar almalıdır [9,11]. Mimarisi Şekil

6'da özetlenmiştir.

2.4.5. Gelecek Yönelimler ve Olasılıklar

Sualtı Robotlar

İnsansız denizaltı araçları (UUVs, Unmanned Underwater Vehicles), ya

uzaktan kumandalı araçlar (ROVs, Remote Operate Vehicles) ya da otonom denizaltı

araçları (AUVs, Automatic Underwater Vehicles) olsun, doğrudan deniz ile ilgili

çeşitli iklimsel ve ekolojik sorunların yanında okyanusların zenginliğinden

faydalanma ihtiyacı nedeniyle çok önemli bir ekonomik ve sosyal etkiye sahip olan

ve ulaşılması gereken teknolojik bir hedeftir [4]. İnsansız denizaltı aracı (UUV)

kullanımı, onların işletim maliyetleri yüzünden sınırlı kalmıştır.

Uzaktan kumandalı araçlar (ROV) ve otonom denizaltı araçları (AUV)

arasında birçok benzerlik vardır, ancak aralarındaki temel fark, AUV’ler bağlı

değilken, ROV’lar, güç ve iletişim için kullanılan bir kablo ile ana gemiye bağlanır

114

(Şekil 7). Kendi güç kaynakları ve iletişim sistemleri bulunan bu araçların bazı

örneklerinde kablo bağlantısına gerek duyulmadığı gibi, sadece optik bir kablo

aracılığı ile yüzeye bağlı olanları da vardır. AUV'ler, genel olarak ROV'ların daha

gelişmiş modelleridir. AUV'lerin en büyük farkı, otonom/yarı otonom olmalarıdır.

ROV'lar yüzeyde bulunan kontrol konsolları vasıtası ile bir operatör aracılığıyla

uzaktan kumanda edilirken, AUV'ler, gerek duyulduğu takdirde dışarıdan da komuta

edilebilecek şekilde önceden programlanan rotalarda görevlerini icra ederler.

ROV’lar kutu şeklindedir ve düşük bir hızda hareket ederler veya etrafında

dolaşırlar. AUV'ler yüksek hızda hareket ederler, böylece onların akış çizgisi

biçimlidir; konvensiyonel AUV'ler etrafında gezinemezler. Onların sonsuz güç

kaynağı ve kablo tarafından sağlanan teleoperasyon yeteneği sayesinde, ROV’lar

sualtı yapılarının inşasında kullanılır. Kablosunun olmaması nedeniyle AUV’ler daha

fazla otonomiye sahiptir, ancak onların güç kaynakları sahip oldukları piller ile

sınırlıdır. Gemiyle olan iletişim, sonarlar ile yapılır. AUV’ler genellikle sualtı

boruları gibi basit yapıların incelenmesi için kullanılırlar.

Şekil 6. Bir AMR Mimarisi. Bir off-board bilgisayar on-board merkezi denetleyiciye üst

düzey komutlar gönderir. On-board elektronik kontrol altsistemleri mekanik altsistemin

uygun tahriklerini üretmek için sensörler ve elektrik altsistem ile etkileşime girer.

115

Şekil 7. Bir uzaktan kumandalı sualtı aracı (ROV) (solda) ve tam otonom bir sualtı aracının

(AUV) (sağda) kavramsal sanatsal çizimleri.

Şekil 8, bir AUV’nin altsistemlerini gösterir. AUV’lerde kullanılan gelişmiş

sensörler çoklu ışın sonarları (MBE, Multibeam Sonars), yandan taramalı sonarları

(SSS, Sidescan Sonars), dip altı profilleyiciler (SBPs, Sub Bottom Profilers) ve

iletkenlik sıcaklık derinlik (CTD, Conductivity, Temperature and Depth) probları

vardır.

Şekil 8. Tam otonom bir sualtı aracının (AUV) altsistemleriyle beraber gösterimi.

Hava Robotları

Hava robotları robotiğin hızla gelişen bir alanıdır. Hava robotlarının çok sayıda

olası uygulamaları olmasına rağmen, bunlar şimdiye kadar askeri amaçlarla sınırlı

kalmıştır, çünkü oldukça yeni bir teknolojidir ve şehirler gibi hassas bölgelerde ya da

diğer hava trafiğine yakın yerlerde kullanılmak üzere henüz yeterli kararlılıkta

oldukları kabul edilmez. Ancak, hava robot teknolojisi daha ucuz ve kararlı hale

geldikçe, tarımsal ilaçlama veya izleme ve yer AMR’leri koordine etme gibi diğer

uygulamalarda kullanılacaktır. Günümüzde büyük şehirlerde helikopterler tarafından

yapılan trafik izleme, hava ölçüm istasyonlarının sayısının önemli olduğu yerlerde

çevresel ve meteorolojik denetim diğer uygulamalardır ve temel problem, deniz

istasyonlarından ölçümler alma ihtiyacının olmasıdır. Normal trafik uçakları mobil

116

hava istasyonları olarak denizden nakil taşıyıcılar ile birlikte kullanılır, ancak bunlar

sadece standart uçuş rotaları ve yükseklik verileri sağlarlar.

Çevre tanıma için kullanılan uzaktan kumandalı bir uçak örneği, Şekil 9a’da

gösterilen NASA’dan Helios’dur. Pilot gerekli olmadığı için, bu çözüm ucuzdur.

Şekil 9b Güney Kaliforniya Üniversitesi'nden robotik laboratuarında Otonom Uçan

Araç projesi kapsamında geliştirilen AVATAR’ı (hava izleme ve erişim için otonom

araç) gösterir. İnsanlı pilot uygulamasına ihtiyaç duyulmayan diğer uygulamalar,

düzenli ulaşım, pestisit uygulamaları, ve diğerleridir. Bu teknolojinin kullanımı için

temel sınırlamalar, uçak stabilitesi, resmi yasa ve düzenlemelerinden

kaynaklanmaktadır. Resmi hava güvenlik büroları ile birlikte çalışan şirketler ve

üniversitelerin oluşturduğu Euro UVS adlı bir organizasyon çoktan kurulmuştur.

Şekil 9. NASA’nın Helyo’ları (solda) ve Güney Kaliforniya Üniversitesinin robot

laboratuarının robot helikopteri (sağda).

Yürüyen Robotlar

Belli görevler için daha klasik tekerlekli robotlar yerine yürüyen robotları

kullanmaktaki başlıca motivasyon, engellerden kaçınmadaki çok yönlülükleri,

düzgün olmayan zemine adaptasyon kabiliyetleri ve düzensiz yüzeylere tırmanma

yetenekleri nedeniyledir. Şekil 10a NASA'nın JPL laboratuarının geliştirdiği Dante-II

robotunu Alaska’da dağa tırmanırken göstermektedir. En yaygın yürüyen robotlar iki

ayaklılardır. Şekil 10b, Honda Motor Company bir insansı robotu olan iki ayaklı

Asimo’yu gösterir. İki ayaklı robotlar, eksik tahrikli sistemin özel bir sınıfıdır ve çok

ilginç kontrol problemlerini ortaya çıkarmaktadır. Eksik tahrikli olarak nitelendirme,

onların ayak bileklerinde tork üretemiyor oldukları gerçeğinden kaynaklanmaktadır.

Şekil 10. (a) Alaska’da dağcılık sırasında NASA'nın JPL laboratuvarının Dante-II. (b)

Honda’nın (American Honda Motor Anonim Şirketi) Asimo insansı robotu.

117

Yürüyen robotlar harekete başlama safhasında holonomik olmayan bir davranış

sergilerler ve eksik tahrikli sarkaç benzeri bir sistem olarak hareket ettikleri sürece,

tek bir destek fazıyla kontrol edilemezler. Bir yürüyüş döngüsü altında iki ayaklı

hareket, tek destek fazı (zemin üzerinde bir ayak), kontak fazı (geçiş fazı) ve çift

destek fazından (zeminde her iki ayak) oluşur. Böylece bu, tek taraflı kısıtlamalara

(zeminde hazır bulunma) ve doğal bir hibrite (geçiş aşamaları nedeniyle kesintili

değişiklikler) maruz kalan çoklu dinamik (her faz için bir adet) bir sistemdir.

Yürüyen mekanizmaların karmaşıklığı, onların kontrol ve analizlerini

zorlaştırmaktadır. İki ayaklı hareketin var olan periyodik doğasını, darbelerdeki

dinamik davranışları karşılayan uygun matematiksel teknikler de dikkate alınmalıdır.

2.4.6. Sonuçlar

Bugün robotlar bir gerçektir. Maliyetleri azaldığı ve fonksiyonellikleri arttığı

için, günümüzde robotların kullanımları kaçınılmaz hale gelmiştir. Gelecekte,

rekabet nedeniyle sadece en verimli olan ticari girişimler ayakta kalabilecek ve

robotların bu hususta belirleyici bir rol alacağı tahmin edilmektedir.

Kaynaklar

1. Sciavicco L., and B. Siciliano. 1996. Modeling and Control of Robot Manipulators.

Columbus, OH: The McGrawHill Companies, Inc.

2. Everett, H. R. 1995. Sensors for Mobile Robots. Wellesley, MA: A. K. Peters Ltd.

3. Flynn, A. M., and J. L. Jones. 1993. Mobile Robots Inspiration to Implementation.

Wellesley, MA: A. K. Peters Ltd.

4. Fossen, T. I. 1994. Guidance and Control of Ocean Vehicles. New York, NY: John Wiley

and Sons.

5. Baruh, H. 1999. Analytical Dynamics. WCB/McGraw-Hill.

6. Canudas De Wit C., B. Siciliano, and G. Bastin. eds. 1996. Theory of Robot Control

(Communications and Control Engineering Series). Berlin, Germany: Springer Verlag.

7. Wong, J. Y. 2001. Theory of Ground Vehicles. Wiley-Interscience.

8. Colyer, R. E., and J. T. Economou. 1998. Comparison of steering geometries for multi-

wheeled vehicles by modelling and simulation. Proceedings of the 37th IEEE

Conference on Decision and Control 3: 3131-3133.

9. Chatila, R. 1994. Control architectures for autonomous mobile robots. Proceedings of the

IEEE Conference From Perception to Action, 254-265.

10. Edan, Y., D. Rogozin, T. Flash, and G. E. Miles. 2000. Robotic melon harvesting. IEEE

Transactions on Robotics and Automation 16: 831-835.

11. Edan, Y., and G. E. Miles. 1994. Systems engineering of agricultural robot design. IEEE

Transactions on Systems, Man and Cybernetics 24: 1259-1265.

12. Allotta, B., G. Buttazzo, P. Dario, and F. Quaglia. 1990. A force/torque sensorbased

technique for robot harvesting of fruits and vegetables. Proceedings of the IEEE

International Workshop on Intelligent Robots and Systems (1): 231-235.

13. Oilfield Publications Limited (OPL). 2000-2001. Remotely Operated Vehicles of the

World. England: OPL.

14. www.ece.eps.hw.ac.uk/~autotrack/. Accessed 2002.